1、邊坡穩(wěn)定性分析方法的現(xiàn)狀與展望-大學 班級： 學號：摘要：介紹了國內(nèi)邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)，將邊坡穩(wěn)定性分析方法分為定性分析方法和定量分析方法。分析總結了極限平衡理論、數(shù)值分析方法等確定性分析方法的發(fā)展情況。詳細分析了邊坡穩(wěn)定性分析方法的最新進展和邊坡穩(wěn)定性分析中的新方法、新理論及各種方法的優(yōu)缺點。指出隨著計算機技術的興起和軟件的應用，多種方法的綜合運用成為邊坡穩(wěn)定性分析的發(fā)展方向。針對邊坡穩(wěn)定性問題自身的特點及其研究現(xiàn)狀提出了今后邊坡穩(wěn)定問題研究的發(fā)展趨勢。關鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；定性分析；定量分析；發(fā)展趨勢Present situation and prospect of sl

2、ope stability analysis methodAbstract: Traditional methods of slope stability analysis were summarized and divided it into qualititave methods and quantitative methods. Analysis summarizes the limit equilibrium theory and numerical analysis method, such as the development of situation. Slope stabili

3、ty analysis method are analyzed in detail the latest progress and new methods and new theory in slope stability analysis and the advantages and disadvantages of various methods. Points out that with the development of computer technology and software applications, a variety of methods of the integra

4、ted use of become the development direction of slope stability analysis. According to the characteristics of the slope stability problem itself and its current research situation in the future was put forward the development trend of slope stability studies.Key words: Slope stability; Qualitative an

5、alysis; Quantitative analysis; Development tendency0 引言邊坡工程是一個開放系統(tǒng),它既有有限變形問題又有無限變形問題,有瞬時變形問題又有長時變形問題。邊坡是一種自然地質體，按組成物質可以分為土質邊坡和巖質邊坡，在邊坡角變化、地下水、地震力、水位變化等外因作用下，邊坡將沿其裂隙等一些不穩(wěn)定結構面產(chǎn)生滑移，當土體內(nèi)部某一面上的滑動力超過土體抗滑動的能力，將導致邊坡的失穩(wěn)。邊坡穩(wěn)定性分析是巖土工程的一個重要研究內(nèi)容，并已經(jīng)形成一個應用研究課題，穩(wěn)定性問題涉及礦山工程、道橋工程、水利工程、建筑工程等諸多工程領域，近年來受到越來越多的關注，研究方法層出

6、不窮，其中主要以剛體極限平衡分析法和數(shù)值分析方法為主，而這些方法在設計參數(shù)的選取上都是按定值進行考慮的。然而，由于邊坡受多種因素綜合影響，其穩(wěn)定性常表現(xiàn)出復雜多樣性、不確定性等特征。傳統(tǒng)的工程地質學主要著手地質對比的研究，20世紀80年代后，學科之間的相互滲透使許多與現(xiàn)代科學有關的理論和方法,如系統(tǒng)方法、模糊數(shù)學、灰色理論、信息論方法、數(shù)理化理論及現(xiàn)代概率統(tǒng)計理論等應用到邊坡穩(wěn)定性研究，從而使這種對比研究手段已從定性發(fā)展到定量并形成多種各具特色的邊坡穩(wěn)定性預測模型的階段，邊坡穩(wěn)定性分析方法不斷發(fā)展與完善。本文簡要分析了目前常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法的基本原理、特點、優(yōu)缺點及其適用范圍,探討了邊坡

7、穩(wěn)定分析的發(fā)展趨勢,為進一步研究邊坡穩(wěn)定性問題理清了思路。1 定性分析方法主要是通過工程地質勘察,對影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、可能的變形破壞方式及失穩(wěn)的力學機制等的分析,對已變形地質體的成因及其演化史進行分析,從而給出被評價邊坡一個穩(wěn)定性狀況及其可能發(fā)展趨勢的定性的說明和解釋。其優(yōu)點是能綜合考慮影響邊坡穩(wěn)定性的多種因素,快速地對邊坡的穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢作出評價。常用的定性分析法見表1。表1 邊坡穩(wěn)定性定性分析方法名稱原理發(fā)展動態(tài)自然（成因）歷史分析方法分析邊坡歷史演變中各種變形破壞成因、規(guī)律及影響因素,依此判斷和評價邊坡的穩(wěn)定性采用“將今論古”追溯邊坡演變過程,常用于評價天然斜坡的穩(wěn)定性圖解

8、法諾模圖法采用諾模圖表示影響邊坡穩(wěn)定性參數(shù)間的關系,并求出邊坡穩(wěn)定安全系數(shù),作為邊坡穩(wěn)定性評價參考依據(jù)結合相應的參數(shù)反分析其他參數(shù)(如穩(wěn)定坡角、極限坡高及結構面傾角等),目前主要應用于土質或強全風化的邊坡穩(wěn)定性赤平極射投影法利用赤平極射投影原理,通過作圖反映邊坡失穩(wěn)邊界條件評價邊坡穩(wěn)定性得出可能產(chǎn)生的滑移面與坡面空間關系及穩(wěn)定性,一般用于評價巖質邊坡穩(wěn)定性工程數(shù)據(jù)庫工程類比法參照已有工程邊坡穩(wěn)定性狀況及其影響因素,并結合有關設計與治理等經(jīng)驗,通過類比相似性與差異性評價邊坡穩(wěn)定一般在中小型工程中應用廣泛,在復雜的大型工程中還存在缺陷,需與其他方法融合應用專家系統(tǒng)基于計算機儲存的大量邊坡工程資料及

9、相關學科不同專家的知識與經(jīng)驗,通過計算機的模擬優(yōu)化技術路徑分析穩(wěn)定性應能提高決策水平、節(jié)約時間,但固定的推理規(guī)則動態(tài)與復雜的系統(tǒng)難以適應其變化,亦不能學習與改進過去處理工程實例的方法范例推理法參照已有的工程分析研究現(xiàn)有的新對象,將實際工程稱為源范例、研究的新對象稱為目標范例由于源范例增多,可能導致相互之間不相容,還有待于研究與解決2 定量分析方法定量分析方法分為確定性分析方法和不確定性分析方法,其中確定性分析方法主要包括極限平衡分析法和數(shù)值分析方法；不確定性分析方法主要包括灰色系統(tǒng)評價法、可靠度分析方法、模糊綜合評價法等。2.1 確定性分析方法2.1.1 極限平衡分析方法極限平衡法在工程中的應

10、用非常廣泛。它是根據(jù)邊坡上的滑體或滑體分塊的力學平衡原理(即靜力平衡原理)分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài),以及邊坡上的抗滑力和下滑力之間的關系來評價邊坡的穩(wěn)定性。其基本原理是:設邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為F,則當邊坡土體材料的抗剪參數(shù)(摩擦因數(shù)tan和粘結力c)降低F倍后，邊坡內(nèi)某一最危險滑面上的滑體將瀕于失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)。在極限平衡分析中需要假定滑裂面,如果滑裂面為任意形狀,那么，為了確定沿滑裂面的應力分布，需要將滑動土體分成若干垂直土條，通過分析作用于土條上的力來建立平衡方程,此即條分法。目前,主要有:瑞典圓弧法、Bishop法(1955)、Morgenstern-Price法(1965)、

11、Spencer法(1973)、Bell法(1968)、Janbu法(1973)、Sarma法(1973,1979)、孫君實法(1983)等。各種方法最大的不同之處在于對相鄰分條之間內(nèi)力的假定不同，見表2。表 2 條分法比較計算方法所滿足的平衡條件滑裂面形式條間內(nèi)力假定整體力矩分條(塊) 力矩垂直力水平力瑞典圓弧法圓弧合力方向Bishop法圓弧忽略切向條間力Morgenstern-Price法任意合力方向Spencer法任意合力方向Janbu法任意合力的作用點Sarma法任意合力方向（1）瑞典條分法基本假定:邊坡穩(wěn)定為平面應變問題;滑動面為圓弧;計算圓弧面安全系數(shù)時,將條塊重量向滑面法向分解來求

12、法向力。該方法不考慮條間力的作用,其安全系數(shù)為滑裂面上的抗滑力矩與滑裂面以上土體的滑動力矩之比,用總應力法求得給定滑裂面的安全系數(shù),再經(jīng)反復試算比較可確定出邊坡最小安全系數(shù)，僅能滿足滑動體的力矩平衡條件,產(chǎn)生的誤差使安全系數(shù)偏低。（2） 簡化畢肖普(Bishop)法其基本原理是假設條塊間作用力的方向為水平向,即假定只有水平推力作用,而不考慮條塊間的豎向剪力,建立整體力矩平衡方程,并由靜力平衡條件求解安全系數(shù)。大量實際邊坡穩(wěn)定分析計算表明,對于圓弧滑面,該方法的計算結果與滿足所有平衡條件的嚴格極限平衡法的計算結果相當一致,且其計算過程相對簡單,適用于手算和機算,已被納入各國規(guī)范。（3）簡布普遍條

13、分法簡布法假定滑體中推力線已知,利用力矩平衡條件把條間豎向剪力表示成水平推力的函數(shù),其適用于最一般的情況。此外,利用該法不僅可求出滑裂面平均安全系數(shù)及應力分布,還可求出各分界面上的抗剪安全系數(shù)作為校核。（4）極限平衡的其它計算方法除了假定條間力合力作用點位置外,還可假定條間豎向剪力與水平推力夾角或合力方向,屬于這一類的方法有斯賓塞法(Spencer)、摩根斯坦(Morgenstern)-普賴斯(Price)法、沙爾瑪法(Sarma)以及目前國內(nèi)工業(yè)、民用建筑及鐵道部門使用的不平衡推力傳遞法。（5）極限平衡條分法的局限性極限平衡條分法簡單易用,對于簡單邊坡計算精度也比較高,通過一些假定也能處理比

14、較復雜的邊坡,但其終究具有自身的局限性,主要如下:極限平衡條分法需要事先假定一滑裂面,所以它最終的解一定依賴于初始假定的滑動面,尋找到的滑動面不一定是全局最優(yōu)的,即存在一定的人為誤差。對于均質邊坡比較容易假定出可能的滑動面,而對于土層性質差異較大的非均質地層,以及存在節(jié)理裂隙的巖體邊坡,其潛在滑動面并非圓弧形,很難通過假設確定。極限平衡條分法只能給出邊坡的安全系數(shù)及其相應的滑動面位置、形狀,無法考慮邊坡內(nèi)部巖土體的應力-應變關系,所以得到的安全系數(shù)只是所假定的滑動面上的平均安全系數(shù),而不能求得滑體內(nèi)部或滑動面上的真實內(nèi)力或反力。極限平衡條分法本身對條間力或作用方向作了較大的人為假定,這種做法與

15、事實的差距究竟有多大,對安全系數(shù)有多大影響,有待進一步考證。2.1.2 數(shù)值分析方法隨著計算機技術的發(fā)展,很多數(shù)值計算方法都用到邊坡穩(wěn)定分析中。有限元法是一種十分成熟的數(shù)值方法,它幾乎可適用于所有的計算領域。其最大優(yōu)點是可分析任何形狀的幾何體,不但能進行線性分析還可進行非線性分析。有限元是邊坡穩(wěn)定分析中用得較多的一種數(shù)值方法。邱祥波等1采用原流變模型,給出了初應變法的有限元解析式,用自編的平面有限元程序對小浪底出口邊坡進行了穩(wěn)定性分析。沈鳳生等2采用三維有限元法對小浪底水利樞紐工程進水口南端山體高邊坡穩(wěn)定性進行了研究。楊家?guī)X等3采用三維彈塑性有限元分析方法對藕塘古滑體在三峽水庫形成后的穩(wěn)定性進

16、行了分析。其它數(shù)值分析方法如邊界元法、離散元法、拉格朗日法也開始大量應用于邊坡穩(wěn)定性分析中。常春等4提出了邊坡應力分析的一種新方法,即離散元計算和神經(jīng)網(wǎng)絡預測相結合的模型。該方法首先用離散元方法分析不同開采深度下的邊坡巖體應力,將計算結果形成樣本集,應用于神經(jīng)網(wǎng)絡學習并進行推理,預測其他開采深度的邊坡巖體應力。可見數(shù)值分析方法有兩種發(fā)展趨勢:一是有限元法的發(fā)展,從平面有限元到三維有限元,從彈性有限元到彈塑性有限元,使有限元法分析結果更能反映實際邊坡;二是大量新型數(shù)值計算方法的應用,如邊界元法、離散元法、拉格朗日元法等,這些數(shù)值方法的應用,必將促進邊坡穩(wěn)定性研究的發(fā)展。2.2 不確定分析方法2.

17、2.1 灰色系統(tǒng)評價法灰色系統(tǒng)理論認為,在決定事物的諸因素中若既有己知的,又有未知的或不確定的,它們所在系統(tǒng)則稱為灰色系統(tǒng)5。把系統(tǒng)中的一切信息量看作灰色量,采用特有的方法建立描述灰色量的數(shù)學模型。利用灰色關聯(lián)度分析原理,確定邊坡穩(wěn)定性各影響因素的影響程度,進而利用多因素疊加分析評估邊坡的穩(wěn)定性。陳新民6等提出了一種基于經(jīng)驗的邊坡穩(wěn)定性灰色系統(tǒng)分析方法,該方法所得的結果與邊坡實際狀態(tài)相一致,并且,該方法直觀、簡單、可操作性強?；疑到y(tǒng)理論是研究信息不完全系統(tǒng)的有效方法?；疑到y(tǒng)分析和灰色模型是灰色系統(tǒng)理論的兩大核心內(nèi)容。一般情況,構成現(xiàn)實問題的實體因素是多種多樣的,因素間的實體關系也是多種形式

18、的。因而要想知道因素和因素間的全部關系是不可能的,也是不必要的。在這種情況下,只需著眼于決策者的目的相關聯(lián)的主要因素和關系。在系統(tǒng)分析中,常用的定量方法大都是數(shù)理統(tǒng)計法,如回歸分析、方差分析、主成分分析,其中以回歸分析用得最多。然而,回歸分析有要求大樣本量、要求樣本有較好的分布規(guī)律、計算工作量大以及可能出現(xiàn)量化結果與定性分析結果不符的現(xiàn)象等弱點。灰色系統(tǒng)理論則提出了一種新的系統(tǒng)分析方法,稱為系統(tǒng)的灰色關聯(lián)度分析方法。該方法可不受上述局限,它可在不完全的信急中,對所要分析研究的各因素,通過一定的數(shù)據(jù)處理,在隨機的因素序列間,找出它們的關聯(lián)性,發(fā)現(xiàn)主要矛盾,找到主要特性和主要影響因素。因此,特別適

19、合于像邊坡穩(wěn)定性這種數(shù)據(jù)有限、沒有原型、復雜而且具有不確定性問題的分析和評價。2.2.2 可靠度分析方法可靠度分析方法在進行邊坡穩(wěn)定性分析時,充分考慮了影響安全系數(shù)的各個隨機要素(如巖體及結構面的物理力學性質,地下水的作用包括靜水壓力、動水壓力、裂隙水壓力、軟化作用、浮托力,各種荷載等)的變異性。通過對各種因素不確定性的認識,結合邊坡系統(tǒng)的具體情況,采用概率分析方法和可靠度尺度描述邊坡工程系統(tǒng)的質量?？煽慷确治龇椒ㄒ呀?jīng)廣泛應用于邊坡及滑坡分析中。Claes Alen(1996)應用概率方法對Gato河谷地區(qū)的邊坡進行了廣泛而細致的分析,并拓展了該方法的內(nèi)容7;張興(1990)對多滑面邊坡的破壞

20、概率進行了計算8;郭志懷(1990)給出了邊坡滑動過程中可靠度的估算方法9。這些應用推動了可靠度方法的發(fā)展。2.2.3 系統(tǒng)分析方法由于邊坡處于非常復雜的巖土體力學環(huán)境條件下,其穩(wěn)定性的涉及面很廣,影響因素也很多,且穩(wěn)定程度非常復雜,因此,邊坡穩(wěn)定性問題也是一個系統(tǒng)工程問題10。應用系統(tǒng)分析方法遵循的途徑為:巖體力學環(huán)境條件的研究、變形破壞機制研究、穩(wěn)定性計算分析。目前,系統(tǒng)分析方法廣泛應用于邊坡穩(wěn)定性分析之中。2.2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡分析法(ANN)是一種非線性動力學系統(tǒng),利用工程技術手段結合數(shù)學方法將其簡化并抽象以模擬反映人腦基本功能的一種并行處理連接網(wǎng)絡,亦是一種新型信號處理系統(tǒng)或運算體

21、11。其特點是并行處理、分布式儲存、容錯性、自學習、自組織、自適應、優(yōu)化計算等。用于巖土工程中的神經(jīng)網(wǎng)絡模型主要有BP模型、Hofield模型、Blotzmann模型及自組織映射模型等。2.2.5 模糊評價法模糊綜合評價是應用模糊變換原理和最大隸屬度原則,綜合考慮被評事物或其屬性的相關因素,進而進行等級或類別評價12。實踐證明,模糊分級評判方法為多變量、多因素影響的邊坡穩(wěn)定性分析提供了一種行之有效的手段。其優(yōu)點是能得到邊坡穩(wěn)定性等級分類指標,據(jù)此判斷出邊坡的穩(wěn)定性情況;缺點是在實際操作過程中,評判中權數(shù)的分配帶有一定的經(jīng)驗性和主觀性,并且并沒有考慮到各個影響要素。2.2.6 遺傳算法遺傳算法(

22、Genetic Algorithm,簡稱GA)是模擬自然界生物進化過程提出的一種自適應隨機性優(yōu)化搜索算法13。該算法首先隨機產(chǎn)生種群,并用合理的評價函數(shù)對種群進行評估,在此基礎上進行選擇、交叉及變異等遺傳操作,進行具有導向性的隨機搜索,直至得到最優(yōu)解。遺傳算法14求解步驟主要包括:首先隨機生成最優(yōu)化問題的N個可行解,并對解進行編碼,我們稱這N個解為父代,每個解為一個個體,解的編碼為染色體,組成編碼的元素為基因。然后確定適當?shù)脑u價函數(shù),每個染色體的評價函數(shù)值的大小決定了其按照某個概率被選擇產(chǎn)生后代的機會的大小。第三是染色體的結合,根據(jù)適當?shù)母怕?選擇父代進行兩兩配對,通過編碼間的交叉產(chǎn)生新的個體

23、。最后是變異,按適當?shù)母怕?使新一代的某些基因發(fā)生變化。變異操作使解具有更大的遍歷性,有利于收斂到全局最優(yōu)點。在巖土工程邊坡穩(wěn)定性分析計算中,要尋找最危險的潛在的滑動面,然后以此為依據(jù),進行設計。尋找最危險的滑動面的位置,可以使用遺傳算法。2.2.7 其它不確定性分析方法數(shù)量化理論是集定性與定量變量于一體的多變量分析方法,是把沒有用數(shù)值表示出來的,經(jīng)人們判斷和評價的數(shù)據(jù)資料,從量上探索和處理的手段的總稱,由日本的林知己夫教授于1950年提出。數(shù)量化理論方法,在解決含有定性與定量變量系統(tǒng)時,有一定的優(yōu)越性。因而也將其引進來進行邊坡穩(wěn)定性的分析研究。定量表格法是將定性評價轉變?yōu)槎吭u價的有效方法。

24、其主要思路是,設法選擇好一種量化方法,合理地處理邊坡穩(wěn)定性的定性因素,并將量化評價的一般性結果以評分表的形式表達出來,當對同類邊坡工程進行穩(wěn)定性實際評價時,只需對照表格逐項評分,然后進行簡單的加減運算即可做出定量的評價。這一方法,增強了邊坡穩(wěn)定性評價的科學性和實用性,使評價方法從定性走向定量起了較大的推動作用。3.邊坡穩(wěn)定性發(fā)展趨勢邊坡穩(wěn)定性分析方法取得了很大的成就,但在以下幾個方面還有待進一步完善,將是以后研究的重點。（1)進一步進行邊坡穩(wěn)定性分析實驗研究。目前對邊坡穩(wěn)定性分析實驗研究并不多。眾所周知,實驗是邊坡穩(wěn)定性研究的基礎,也是計算方法的依據(jù)。如果不進行實驗研究就難以分析邊坡破壞機理,

25、就難以把握計算方法的正確性。只有加強邊坡穩(wěn)定分析實驗研究,才能促進邊坡分析的發(fā)展。（2)完善確定性分析方法,特別是復合法。目前確定性分析方法占有絕對的地位,只有不斷完善才能適合不同的邊坡條件。復合法是確定性分析方法的發(fā)展方向,可將不同方法的優(yōu)點結合起來,應大力發(fā)展復合方法。（3)大力發(fā)展邊坡穩(wěn)定分析的隨機方法和模糊方法。隨機方法和模糊方法是邊坡穩(wěn)定性分析的新興方法,在理論和應用上都有很多研究工作要做,應大量開展隨機方法和模糊方法的理論和應用研究,使其更適合邊坡穩(wěn)定性分析。4.結語傳統(tǒng)的分析方法由于計算簡單、思路清晰且能夠解決一般工程問題，因此在工程中仍得到廣泛應用。極限平衡法嚴格的建立在巖土力學的理論之上，理論完善，推導嚴謹，巖體參數(shù)的確定及穩(wěn)定性分析中所采用的新理論和新方法在不斷完善、改進邊坡穩(wěn)定性分析方法。特別是復合法、可靠度法的運用更是未來發(fā)展方向。隨著計算機的發(fā)展與普及，利用軟件的強大處理功能進行邊坡穩(wěn)定性分析，可以給我們帶來意想不到的收獲。然而，無論使用何種方法進行邊坡穩(wěn)定分析，都應首先以分區(qū)域性工